自我國提出2060年全社會爭取實（shí）現“碳中和”目標後，各行各業對“碳中和”的（de）討（tǎo）論持續高漲、熱度（dù）不減。一方麵，這（zhè）無疑推（tuī）動了“碳中（zhōng）和”概念和知（zhī）識的推廣宣傳，大大（dà）推動了“碳（tàn）中和”構建的*階段目標進（jìn）程——明晰什（shí）麽是“碳中和”，即“知其然（rán）”！另一（yī）方麵，隨（suí）著對“碳中和”概念的不斷理（lǐ）解和清晰，對如何實現行業“碳中和（hé）”也打上了大大的問號。對於汙水處理廠（chǎng）來說（shuō），盡（jìn）管國外已經存在完全（quán）實現“能量平（píng）衡”或“碳中和（hé）”運行的汙水處理廠實際案例，但國內依然存在對汙水處理廠（chǎng）能否實現“碳中（zhōng）和”的擔憂和質疑。從技術角度講，通過能（néng）量回收（shōu）直接反哺或間接補償（cháng）汙水廠的碳排量是實現“碳（tàn）中和”的主要（yào）方式，而這些擔憂和質疑大多聚焦於“汙水處理廠真的有那麽多可回收能量去實現‘碳中和’嗎？”

       正所謂“知（zhī）其然更應（yīng）知其所以然”，隻有（yǒu）厘清了汙水處理廠可用的“家底”（能量）才能更有信心地朝著“碳中和”方向努力。實際上，“中-荷（hé）中心”團隊負責人郝曉地教授早在2010年就已經對汙水處理廠可用的“家（jiā）底”和能否支撐“碳中和（hé）”的實現進（jìn）行了（le）較為詳細的前瞻（zhān）性探究，當下對汙水處理廠仍然（rán）具有（yǒu）非常大的指導意義。因此（cǐ），本文基於團隊2015年的一項工作，同大家分（fèn）享並厘清國內汙（wū）水處理廠實（shí）現“碳中和”的可（kě）用能量來源以及相應的技術（shù）思（sī）路。

       提到汙水中的能量，人們往往*先想到的即是汙水中的有機物（COD），而回收這部分能量*簡單的方（fāng）式就是對汙泥實施厭氧（yǎng）消（xiāo）化（huà），產生甲（jiǎ）烷後用（yòng）於熱電聯產，以此減少汙水廠對外部能源的（de）需求，繼而間（jiān）接（jiē）降低CO2的排放量。理論上講，生活汙水中所含（hán）的有機（jī）物能量可達（dá）汙水處（chù）理消耗能量的（de）9~10倍，這一振奮人（rén）心的（de）“家底”能否助（zhù）力汙水廠實現“碳中和（hé）”呢？除此之外（wài），汙水處理廠生物處理池（chí）及初沉池、二沉池等單元具有（yǒu）龐大的表麵麵積，這似乎為太陽能光（guāng）伏發電創造了必要的場地條件。如果（guǒ）光伏組（zǔ）件（jiàn）能被巧（qiǎo）妙地布置在這些處理單元上，不僅可以向樓宇屋麵一樣實現太陽能發電，而且還能在冬季時利用光伏板來覆蓋這些（xiē）處理單元，實現對生物處理的保溫作用和臭氣收集。那“太陽能”會（huì）成為汙水（shuǐ）廠實現“碳中和”的實力擔當麽？另外（wài），市政汙水本身具有流量穩定、水量充（chōng）足、帶有（yǒu）餘溫等特點。如果向汙水處理廠引入水（shuǐ）源熱（rè）泵（bèng）技術進行熱能的提取回收，潛力會有多大呢？帶著這些思考（kǎo）和疑問，我們選取了北京某汙水處理廠為例，對其廠內這三種“家底”（圖1）的可用潛力進行了匡算分析。


       1. 進水有機物能量回收潛力

       為匡算進水中有機物濃度與通過厭氧消化可回收的有機物能量，我們（men）以物料（liào）平衡為基礎（chǔ），將水質與能量指標進行耦合，構建了能量平衡模型和（hé）分析函數，以評價汙水（shuǐ）處理廠能量消耗與回收之間的平（píng）衡情況（kuàng）。模型（xíng）的輸入（rù）變（biàn）量（liàng）如表1所示（shì），包（bāo）括進出水水量/水質和汙泥量/有機質含量（liàng）共計（jì）12個參數。能量相關的過程單元則包括了提升水泵、曝氣係統和厭氧消化池加熱係統（tǒng）導致的能量（liàng）消耗，以及汙泥厭（yàn）氧消化/熱電聯產產生的能量補償。


       模型構建完畢後，我們對案例水廠實際運行的（de）能量狀況進行了評價分析。圖2是案例汙水廠的工藝流程和部分點的實（shí）測參數，模型匡算結果總結於表2中（zhōng）。由結果可知，經過模型計算得到的提升泵和鼓風機能耗數值（147000 MJ/411429 MJ）與實測數值（142560 MJ/379209 MJ）相差不大，但通過汙泥厭氧消化回收的有機（jī）物（wù）能量（425848 MJ）卻遠遠高於實測數值（107142 MJ），這是（shì）因為案例汙水廠2010年消化池平均進（jìn）泥量僅為340 m3/d，僅占設計（jì）進泥量的12%，如果按照2010年（nián）產氣效率計（jì）算，當進泥（ní）量達（dá）到設計值時，甲烷產量與模型計算結果也近乎一致。可見，本研究構建的模型計算結（jié）果是（shì）可信的。


       從*終的能量匡算結果來看，此（cǐ）案例汙水廠從剩餘汙泥回收的（de）能量可以提供能耗總量的53.2%，也就是（shì）說案例汙水廠如果僅僅依賴汙水中的有機物通過厭氧消化回收能量，距（jù）“能量平衡”目（mù）標尚且有一半的（de）差距。

       另外，從所構建的模型來看（kàn），汙泥厭氧消化回收汙水中有機（jī）物能量的多寡完全取決於進水中的有機物濃度，即進水COD濃度（dù）越高，可回收的有機物能量潛力便越大（dà）。繼而我們利用所（suǒ）構建模型針對不同的（de）進水COD濃度進行（háng）了能量核算，結果如圖3所示。在我國汙水（shuǐ）處理廠平均進水COD濃度水（shuǐ）平（283 mg/L），通過汙泥厭氧消化能量回收隻能（néng）實現約42%的能量平衡率；而當進水COD濃度增至600 mg/L時（歐洲平均水平），則回收的能量可以補償總（zǒng）能耗的68.9%。


       總之，我國汙水處理廠由於進水有（yǒu）機物（wù）濃度較低，剩（shèng）餘汙泥厭（yàn）氧消（xiāo）化回收有機物能量難以實現汙水廠的“能量平衡”，更別提支撐“碳中和”的實現。同時，需要強（qiáng）調的是，剩餘汙泥（ní）中（zhōng）蘊藏的“家底”通過厭氧消化來補償一半的運行能量消耗是完全可行的。另外，根（gēn）據我們*近的研究結果，厭氧消化並不是回收汙泥中有機能量的*佳手段，汙水處理廠應當考（kǎo）慮（lǜ）跳過厭氧消化單元，直接將汙（wū）泥幹化後進行焚燒發電（diàn），可進一（yī）步提高有機能量的回收效率。

       2. 汙水廠光伏（fú）發（fā）電潛能

       光伏發電可回收的能量多少主要取決於可用於安裝光伏板的麵積大小（xiǎo）。對於汙水處理廠來說（shuō），各個處理單元的頂（dǐng）部（bù）均可（kě）用於光伏板（bǎn）的安裝，且麵積較為可觀。為了解（jiě）我國汙水處理（lǐ）廠設計規範（fàn）下（xià）可用的光伏板安裝（zhuāng）麵積，我們總結了處（chù）理規（guī）模不（bú）同的汙水（shuǐ）處（chù）理廠部分單元構築物的麵積，如表3所示。可知，我國汙水處理廠處理單位萬噸汙（wū）水對應（yīng）的主要構築物（wù）的平麵麵積在1147~1576 m2之間，平均（jun1）值為1402 m2。由於規模效應（yīng）的存在，這一數值是隨著處理水量的增大而減少的。


       按照E20-327型光伏板性能、案例汙水廠所在地的光照條件（jiàn），單塊光伏板每天產生的能量約為1.09 kWh（單板（bǎn）占地麵積為4.65 m2）。如果在案例（lì）汙水廠主要構築物（wù）平麵（表4）上安裝E20-327型（xíng）光伏板，可計（jì）算得其可回收的太陽能總量為82725 MJ/d，僅僅能滿足案（àn）例汙水廠運行能耗的10.4%，即通過光伏發電可獲取的能量顯（xiǎn）得（dé）有（yǒu）些“微不足道”！


       3. 汙水源熱泵能量回收潛力

       在我們之前發布的文章中，已多次分享闡述了汙水中存在的卻一（yī）直（zhí）以（yǐ）來被忽視的能量（liàng），即熱能。我們的匡算分析也已明確，汙水中的熱能儲（chǔ）量遠高於汙水中的化學能（有（yǒu）機物能量），實際可回收熱能為化學能的9倍之多。為更直觀的體（tǐ）現汙水中熱能回收的巨大潛力，我們在此也基於案例汙水廠對可回收（shōu）的熱能進行了計算。

       北京（jīng）地區汙水廠二級出水（shuǐ）在6~9月份（fèn）的平均水溫為23.4~26.5 ℃，比同時期平均氣（qì）溫低4~5 ℃；二級（jí）出水水（shuǐ）溫在供暖季（11月~次年3月）平均在12.9~20.7 ℃，比氣溫（wēn）高10~20 ℃。這一條件均能滿足《水源熱泵機組》（GB/T 19409—2003）要求。

       通過（guò）計算可知（表5），水源熱泵（bèng）係統每利用1萬（wàn）噸二級出水（shuǐ）的製冷量和製熱量（liàng）分別為1.68×105 MJ和2.74 MJ，考慮水源熱泵機組自身能耗（通（tōng）過COP定義得出），則二級出水在夏季和冬（dōng）季淨產能當（dāng）量分別為14148 kWh/萬m3和23213 kWh/萬m3。由此可知，汙水中的熱能是汙水廠*大的能（néng）量“家底”。據此匡算，案例汙水廠每天僅利用8萬噸二級出水（即13.3%的出水量（liàng））作為（wéi）汙（wū）水源熱泵的冷、熱（rè）源，就可滿足汙水廠運行能耗的51%（製（zhì）冷（lěng））和83.6%（製熱）。加上上述提及的汙泥厭氧消化和太陽能回收，案例汙水廠已可實現“能量（liàng）平衡”。


       需要說明的是，汙水源熱泵所（suǒ）產（chǎn）生的冷（lěng）、熱（rè）源一般均為直接利用，並（bìng）非是（shì）像甲烷一樣用於發電。所以，上述測算中所產生（shēng）的能量中絕大部分還是要靠輸出廠外供其他商（shāng）業或民用用戶使用，以“碳交易”方式折算能量與碳排放的平衡。

       結語

       我們通過考慮剩餘汙（wū）泥（ní）能量回（huí）收、光伏發電和水（shuǐ）源（yuán）熱泵能量回收（shōu），分別（bié）核算出各自能（néng）量（liàng）回收方式對運（yùn）行能耗的貢獻率。結果表明，汙水源熱泵僅需使用（yòng）較小的水量（<15%）便可以產生出至少一半以上的運（yùn）行能耗，完全可以彌補剩餘汙泥轉化能源不足形成的（de）能源赤字。相形之下，光伏發電可獲得的能（néng）量則顯得有些“微不足道”。由此可知，汙水熱能才是汙水處理廠實現“碳中和（hé）”的實力（lì）擔當（dāng）。總之，我國（guó）市政汙水處理（lǐ）廠一般可通過剩（shèng）餘汙泥（ní）轉化能源和汙水源熱泵方式便完全可以滿足（zú）“碳中和”運行的（de）目標，該（gāi）研究結論可為我國市政汙水廠想著低（dī）碳運行方向發展奠定理論基礎。